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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Netzwerktechnik und betrifft
ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks und
einen Sensorknoten eines zur Durchführung des Verfahrens geeignet
eingerichteten Sensornetzwerks.
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Sensornetzwerke
werden zunehmend für vielfältige Überwachungsaufgaben
(”Monitoring”) in komplexen
Umgebungen, wie industrielle Großanlagen, Kraftwerke, Schiffe,
Flugzeuge und Fahrzeuge, eingesetzt. In der Anwendung erweisen sich
drahtlose Sensornetzwerke mit einer Mehrzahl drahtlos kommunizierender
Sensorknoten als besonders praktisch, da die Sensorknoten wahlfrei
an verschiedenen Stellen platziert werden können.
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Drahtlose
Sensornetzwerke werden von einem Netzwerkmanagement verwaltet, das
in der Regel in einer drahtlos mit den Sensorknoten kommunizierenden
Steuerstation (”Basisstation”) implementiert
ist. Die von den Sensorknoten getasteten Daten werden an die Steuerstation übertragen
und können von
dort an eine mit der Basisstation datentechnisch verbundene Datenverarbeitungseinrichtung
zur weiteren Verarbeitung übermittelt
werden.
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In
der Regel können
die Sensorknoten untereinander und mit der Basisstation drahtlos
kommunizieren, was typischer Weise mittels ungerichteter Funkübertragung
erfolgt. Befindet sich ein Sensorknoten hierbei außerhalb
der Funkreichweite zur Basisstation, können Daten im Multi-Hop-Verfahren über mehrere
Sensorknoten zur Steuerstation geleitet werden.
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Jeder
Sensorknoten des Sensornetzwerks umfasst zumindest einen Messfühler zum
Tasten von Messwerten physikalischer bzw. technischer Messgrößen, wie
beispielsweise Lufttemperatur oder Luftdruck, eine Kommunikationseinrichtung
zur Datenübermittlung
mittels ungerichteter Funkübertragung, eine
mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung (CPU = Central Processing
Unit) zur Steuerung des Sensorknotens, sowie eine autonome Energieversorgung
in Form einer Batterie oder eines aufladbaren Akkumulators.
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Um
ein Sensornetzwerk zu installieren, ist es erforderlich, dass die
Sensorknoten konfiguriert werden – gemeinhin als ”Engineering” des Sensornetzwerks
bezeichnet. Bei der Konfiguration eines Sensorknotens wird diesem
eine Identität
zugeordnet, das heißt,
eine logische Kennung, unter der der Sensorknoten im Netzwerk identifizier-
und ansprechbar ist. Die Identität
eines Sensorknoten stellt eine Verbindung zu seiner Hardware-Adresse
(zum Beispiel MAC-Adresse) dar. Zudem wird einem Sensorknoten bei
der Konfiguration die gewünschte
Funktionalität zugewiesen,
das heißt
eine oder mehrere spezifische Funktionen, die der Sensorknoten an
einem vorgebbaren Ort ausführen
soll. Des Weiteren wird der Sensorknoten bei der Konfiguration in
das das Sensornetzwerk verwaltende Netzwerkmanagement eingetragen
(angemeldet).
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Ist
ein Sensornetzwerk installiert, können die konfigurierten Sensorknoten
selektiv angesprochen werden. In diesem Fall ist es beispielsweise
möglich, dass
mithilfe eines drahtlos kommunizierenden mobilen Steuergeräts, beispielsweise
in Form eines PDA (PDA = Personal Digital Assistant), mit den Sensorknoten
selektiv vor Ort kommuniziert wird. Ein solches Steuergerät wird auch
als Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI = Human Machine Interface) bezeichnet.
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Nun
hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Konfiguration der Sensorknoten
mit einem erheblichen Arbeitsaufwand bei der Installation und der Wartung
von drahtlosen Sensornetzwerken verbunden ist. Da eine eindeutige
Zuordnung von Datenverkehr zwischen einem bestimmten Sensorknoten
und einem mobilen Steuergerät
nur mit konfigurierten Sensorknoten möglich ist, kann ein nicht konfigurierter
Sensorknoten mittels ungerichteter Funkübertragung nur dann selektiv
angesprochen werden, wenn sichergestellt ist, dass sich kein weiterer
Sensorknoten in Funkreichweite befindet. Aus diesem Grund werden
Sensorknoten bislang außerhalb
der Funkreichweite zu anderen Sensorknoten über ein Programmierboard mittels
ungerichteter Funkübertragung
konfiguriert, da vor Ort die Gefahr besteht, dass weitere in Funkreichweite
befindliche Sensorknoten angesprochen werden. Diese Vorgehensweise
ist jedoch umständlich
und birgt zudem die Gefahr, dass die Sensorknoten nach Konfiguration
verwechselt und an falschen (nicht vorgesehenen) Montagestellen
montiert werden. Eine Kontrolle, ob ein Sensorknoten am vorgesehenen
Ort montiert wurde, ist nur indirekt über eine Erfassung von Messgrößen möglich. Um
insbesondere eine Montage von Sensorknoten an falschen Orten zu
vermeiden, wäre
es wünschenswert,
wenn die Konfiguration der Sensorknoten unter Einsatz eines mobilen
Steuergeräts
mittels ungerichteter Funkübertragung
vor Ort erfolgen könnte.
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In
bereits installierten Sensornetzwerken tritt gelegentlich der Fall
auf, dass Sensorknoten repariert oder ausgetauscht werden müssen, sei
es, dass ein Messfühler
ausgefallen ist, sei es, dass die Batterie leer ist. Diese Wartungsmaßnahme erfordert
in der Regel ein neuerliches oder erstmaliges Konfigurieren des
reparierten oder ausgetauschten Sensorknotens, was jedoch wegen
der oben aufgezeigten Problematik nicht vor Ort erfolgen kann. Bei
ausgedehnten Sensornetzwerken, beispielsweise in industriellen Großanlagen,
kann dies unter Umständen dazu
führen,
dass der Servicetechniker sehr weite Wegstrecken zurücklegen
muss, um den Sensorknoten außerhalb
der Funkreichweite anderer Sensorknoten zu konfigurieren, wodurch
in unnötiger
Weise Arbeitszeit vergeudet wird. Insbe sondere für den Fall, dass ein Sensorknoten
bereits durch eine einfache Maßnahme
vor Ort wieder in einen funktionsfähigen Zustand gebracht werden
kann, beispielsweise durch Austausch eines Messfühlers oder der Batterie, welche
gegebenenfalls auch ohne eine Demontage des Sensorknotens durchgeführt werden
kann, wäre
es wünschenswert,
wenn die Konfiguration des Sensorknotens mittels ungerichteter Funkübertragung
selektiv vor Ort durchgeführt
werden könnte.
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Demgegenüber besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum
Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks zur Verfügung zu
stellen, welches eine selektive Konfiguration eines Sensorknotens
mittels ungerichteter Funkübertragung
auch dann ermöglicht,
wenn sich weitere Sensorknoten in Funkreichweite befinden.
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Diese
und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch
ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks mit
den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale
der Unteransprüche angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks gezeigt. Ein
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignetes Sensornetzwerk umfasst eine Mehrzahl drahtlos kommunizierender
Sensorknoten. Diese können,
gesteuert durch ein im Sensornetzwerk implementiertes Netzwerkmanagement,
untereinander und mit einer Basisstation drahtlos Daten austauschen.
Die von den Sensorknoten getasteten Daten können an die Basisstation übertragen
und dort analysiert oder an eine weitere Datenverarbeitungseinrichtung
zu deren Verarbeitung übermittelt werden.
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Jeder
Sensorknoten des Sensornetzwerks umfasst wenigstens einen Messfühler zum
Tasten von Messwerten physikalischer bzw. technischer Messgrößen, eine
Kommunikationseinrichtung zur Datenübermittlung mittels ungerichteter
Funkübertragung
zwischen dem Sensorknoten und anderen Sensorknoten bzw. der Basisstation,
eine mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung zur Steuerung der Funktionalität des Sensorknotens,
sowie eine autonome Energieversorgung in Form einer Batterie bzw. eines
aufladbaren Akkumulators.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben des Sensornetzwerks zeichnet sich in wesentlicher
Weise dadurch aus, dass eine zumindest einen Sensorknoten enthaltende
Auswahlmenge von Sensorknoten des Sensornetzwerks durch ein von einem
Signalgeber erzeugtes, drahtlos übermitteltes erstes
Betriebszustandssteuersignal, das räumlich so ein- bzw. abgegrenzt
ist, dass es nur auf die in der Auswahlmenge enthaltenen Sensorknoten
trifft, selektiv von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten
Betriebszustand versetzt werden kann.
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Die
Sensorknoten sind so eingerichtet, dass sie nur im zweiten Betriebszustand
mittels ungerichteter Funkübertragung
Steuerdaten empfangen und verarbeiten können, wohingegen sie im ersten
Betriebszustand mittels ungerichteter Funkübertragung Steuerdaten nicht
empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können. Da Sensorknoten oftmals
nur wenige Male für
einige Sekunden pro Tag aufwachen und sich ansonsten in einem Energie
sparenden Standby-Zustand befinden, kann das erste Betriebszustandssteuersignal
als Wecksignal dienen, um einen Sensorknoten außerhalb der vorgesehenen Reihenfolge
zu wecken.
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Das
erste Betriebszustandssteuersignal dient einer Steuerung von Betriebszuständen der Sensorknoten,
das heißt
einem Umschalten der möglichen
Betriebszustände
der Sensorknoten. Das erste Betriebszustandssteuersignal unterscheidet sich
deshalb in seiner Eigenart von Sensordaten, die zwischen den Sensorknoten
bzw. zwischen einem Sensorknoten und der Basisstation übertragen
werden.
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Die
mittels ungerichteter Funkübertragung an
die Sensorknoten übertragenen
Steuerdaten dienen zur Steuerung der Funktionalität eines
Sensorknoten, wobei durch die Steuerdaten insbesondere die eingangs
erläuterte
Konfiguration eines Sensorknotens, das heißt die Zuweisung einer Identität und die
Eintragung eines Sensorknoten in das Netzwerkmanagement, erfolgen
kann. Die Steuerdaten unterscheiden sich somit in ihrer Eigenart
vom ersten Betriebszustandssteuersignal und von Sensordaten, die zwischen
den Sensorknoten bzw. zwischen einem Sensorknoten und der Basisstation übertragen
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
erstmals eine selektive Übertragung
von Steuerdaten an einen bereits an einem vorgebbaren Ort (Montagestelle)
montierten, jedoch noch nicht konfigurierten Sensorknoten mittels
ungerichteter Funkübertragung,
beispielsweise um den Sensorknoten vor Ort zu konfigurieren, ohne
dass hierbei die Gefahr besteht, dass weitere Sensorknoten in Funkreichweite
der Funkübertragung
angesprochen werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das erste Betriebszustandssteuersignal mittels gerichteter
elektromagnetischer Strahlung gesendet, bei der es sich beispielsweise
um eine Übertragung
gerichteter Radarsignale oder eine Übertragung gerichteter Funksignale
(Richtfunk), zum Beispiel bei einer Frequenz von 60 GHz, oder eine Übertragung
gerichteter lichtoptischer Signale (Lichtstrahlung) im sichtbaren
Wellenlängenbereich
handeln kann.
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Erfolgt
eine Übertragung
des ersten Betriebszustandssteuersignals beispielsweise mittels Richtfunk
kann die Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Funkübertragung
der Sensorknoten auch zum Empfang des ersten Betriebszustandssteuersignals
eingesetzt werden. Alternativ ist es möglich, dass die Sensorknoten
mit einer separaten Empfangseinrichtung zum Emp fang des mittels
Richtfunk übertragenen,
ersten Betriebszustandssteuersignals versehen sind.
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Diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ermöglicht eine
besonders einfache technische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei
die von einem Signalgeber, beispielsweise einem mobilen Steuergerät, erzeugte
elektromagnetische Strahlung in einfacher Weise auf einen wählbaren
Sensorknoten gerichtet werden kann, um den Sensorknoten selektiv
vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand zu versetzen.
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Falls
das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten
lichtoptischen Signals, beispielsweise in Form eines Laserstrahls
oder gebündelten
Lichtstrahls, übertragen
wird, kann in vorteilhafter Weise ein Auftreffen des gerichteten
lichtoptischen Signals auf den gewählten Sensorknoten optisch überprüft werden.
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Bei
einer herzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das erste Betriebszustandssteuersignal anstelle einer gerichteten
elektromagnetischen Strahlung mittels ungerichteter (diffuser) elektromagnetischer
Strahlung gesendet, wobei die elektromagnetische Strahlung innerhalb
einer die elektromagnetische Strahlung räumlich abgrenzenden Umgebung
gesendet wird, so dass die elektromagnetische Strahlung auch in
diesem Fall räumlich
begrenzt ist und die innerhalb der räumlich abgegrenzten Umgebung
befindlichen Sensorknoten selektiv vom ersten Betriebszustand in
den zweiten Betriebszustand versetzt werden können.
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Beispielsweise
wird das erste Betriebszustandssteuersignal mittels diffusen Lichts
(zum Beispiel eine Deckenbeleuchtung) in einer optisch abgegrenzten
Umgebung gesendet, wodurch alle innerhalb der optisch abgegrenzten
Umgebung befindlichen Sen sorknoten selektiv in den zweiten Betriebszustand
versetzt werden.
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Diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ermöglicht eine
weitere besonders einfache technische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei welcher die innerhalb der optisch abgegrenzten Umgebung befindlichen
Sensorknoten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand
versetzt werden können.
Eine optisch abgegrenzte Umgebung ist dann realisiert, wenn eine
gewünschte
Auswahlmenge von Sensorknoten gegenüber Sensorknoten optisch abgeschirmt
ist.
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Für den Fall,
dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten
Lichtstrahls oder alternativ in Form ungerichteten (diffusen) Lichts
in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird sind die Sensorknoten
zum Empfang des lichtoptischen Signals mit einem optoelektronischen
Wandler (z. B. Photodiode) versehen.
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Für den Fall,
dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten
Lichtstrahls oder alternativ in Form ungerichteten (diffusen) Lichts
in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird, kann es weiterhin
vorteilhaft sein, wenn das erste Betriebszustandssteuersignal mit
einer wählbaren
Steuersignalkennung moduliert wird, welche von einem das erste Betriebszustandssteuersignal
empfangenden Sensorknoten demoduliert werden kann. Die Sensorknoten
sind hierbei so eingerichtet, dass ein Sensorknoten nur dann in
den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Betriebszustandssteuersignal
mit der Steuersignalkennung versehen ist, und nicht in den zweiten
Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Betriebszustandssteuersignal
nicht mit der Steuersignalkennung versehen ist. Durch eine solche
Modulation kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass zufällige Lichtschwankungen
oder auch regelmäßige Lichtmodulationen,
wie sie beispielsweise für
Leuchtstoffröhren
typisch sind, als erstes Betriebszustandssteuersignal fehlinterpretiert
werden. So findet eine Modulation des Lichts von Leuchtstoffröhren bei
bestimmten Frequenzen statt. Wird das Licht auf einen Subträger mit
einer davon verschiedenen Frequenz aufmoduliert, kann dieses störungsfrei
empfangen und demoduliert werden. Ein weiteres hierfür geeignetes
Verfahren ist beispielsweise CDMA (Code Division Multiple Access).
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird anstelle einer aufmodulierten Signalkennung eine spektrale Eigenschaft
des ersten Betriebszustandssteuersignals ermittelt, wobei ein Sensorknoten
nur dann in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale
Eigenschaft des ersten Betriebszustandssteuersignals einer voreinstellbaren
spektralen Eigenschaft für
das erste Betriebszustandssteuersignal entspricht, und andernfalls
nicht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale
Eigenschaft des ersten Betriebszustandssteuersignals der voreinstellbaren
spektralen Eigenschaft für
das erste Betriebszustandssteuersignal nicht entspricht. In diesem
Fall wird die spektrale Charakteristik von Licht ausgenutzt, um
zu vermeiden, dass dieses als erstes Betriebszustandssteuersignal
fehlinterpretiert wird. So emittieren beispielsweise Leuchtstoffröhren im nah-infraroten
Spektralbereich vergleichsweise schwach, so dass eine Kommunikation
mit nah-infrarotem Licht weitgehend störungsfrei erfolgen kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in einem Sensorknoten elektrische Energie aus dem ersten Betriebszustandssteuersignal
gewonnen. Dies hat den Vorteil, dass ein Sensorknoten von extern
mit Energie gespeist werden kann, um beispielsweise seinen Akkumulator
zu laden. Die Sensorknoten sind zu diesem Zweck mit Mitteln (z.
B. Solarzelle) zum Gewinnen von elektrischer Energie aus dem in
Form von Licht übermittelten
ersten Betriebszustandssteuersignals versehen. Wird das erste Betriebszustandssteuersignal
zum Beispiel in Form eines mit einer Signalkennung modulierten,
gerichteten Lichtstrahls übertragen,
so kann der DC-Anteil (DC = Direct Current) des Lichtstroms zur
Erzeugung elektrischer Energie und dessen AC-Anteil (AC = Alternating Current) zur
Informationsübermittlung
benutzt werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das erste Betriebszustandssteuersignal mittels gerichteter
Schallwellen gesendet. Alternativ hierzu kann das erste Betriebszustandssteuersignal
gleichermaßen mittels
ungerichteter Schallwellen in einer akustisch abgegrenzten Umgebung
gesendet werden. Hierdurch ist eine weitere einfache technische
Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht. Die
Sensorknoten sind in diesem Fall für einen Empfang des akustischen
Signals mit einem akustoelektronischen Wandler versehen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sendet ein Sensorknoten nach Empfang des ersten Betriebszustandssteuersignals
ein Bestätigungssignal
mittels ungerichteter Funkübertragung
aus. Durch diese Maßnahme
kann sichergestellt werden, dass ein Sensorknoten tatsächlich vom
ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand versetzt worden
ist, um anschließend
mittels ungerichteter Funkübertragung
beispielsweise eine Konfiguration des Sensorknotens durchzuführen. Besonders
vorteilhaft wird das erste Betriebszustandssteuersignal hierbei von
einem Signalgeber (beispielsweise ein mobiles Steuergerät) in Form
eines sehr kurzen Signalpulses gesendet und das Bestätigungssignal
zeitaufgelöst vom
Signalgeber empfangen. Durch diese Maßnahme kann in vorteilhafter
Weise unterschieden werden, ob das erste Betriebszustandsteuersignal
auf direktem Wege oder indirekt infolge Reflexionen einen Sensorknoten
erreicht hat. Beispielsweise wird zu diesem Zweck vom Signalgeber
ausschließlich
das zuerst empfangene Bestätigungssignal
verar beitet und später
eintreffende Bestätigungssignale
verworfen. Hierbei kann insbesondere auch die an sich bekannte Technik
der Spreizspektrenmodulation angewendet werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
verbleibt ein Sensorknoten für
einen voreinstellbaren ersten Zeitraum im zweiten Betriebszustand
und wird nach Ablauf des ersten Zeitraums selbsttätig in den
ersten Betriebszustand versetzt. Hierdurch kann erreicht werden,
dass ein Sensorknoten lediglich für einen wählbaren Zeitraum zum Empfang
von Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung aktiviert ist.
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Bei
einer hierzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein im zweiten Betriebszustand befindlicher Sensorknoten bei Empfang
eines weiteren ersten Betriebszustandssteuersignals in den ersten
Betriebszustand versetzt. Durch diese Maßnahme kann ein Sensorknoten
in einfacher Weise für
den Empfang von Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung
inaktiviert werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
die Sensorknoten des Sensornetzwerks durch ein mittels ungerichteter
Funkübertragung übertragenes
zweites Betriebszustandssteuersignal von einem dritten Betriebszustand
in den ersten Betriebszustand versetzt werden, wobei die Sensorknoten
im dritten Betriebszustand das erste Betriebszustandssteuersignal
nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können und
im ersten Betriebszustand das erste Betriebszustandssteuersignal
empfangen und verarbeiten können.
Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorteilhaft
sein, wenn ein Sensorknoten für
einen voreinstellbaren zweiten Zeitraum im ersten Betriebszustand
verbleibt und nach Ablauf des zweiten Zeitraums selbsttätig in den
dritten Betriebszustand versetzt wird. Gleichermaßen ist
es alternativ möglich,
dass ein im ersten Betriebszustand befindlicher Sensorknoten bei
Empfang eines zweiten Betriebszustandssteuersignals in den dritten
Betriebszustand versetzt wird. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden,
dass die Sensorknoten nur für
einen begrenzten Zeitraum im ersten Betriebszustand verbleiben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Sensorfunktion von Sensorknoten durch das erste Betriebszustandssteuersignal
ein- oder ausgeschaltet werden, so dass ein lediglich während relativ
kurzer Zeitspannen aufwachender Sensorknoten in vorteilhafter Weise
außerhalb
der vorgesehenen Reihenfolge zum Tasten von Daten aktiviert werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das erste Betriebszustandsteuersignal und/oder das zweite Betriebszustandssteuersignal
von einem mobilen Steuergerät
als Signalgeber ausgesendet, was den Vorteil einer sehr einfachen
Vor-Ort-Konfiguration von Sensorknoten bietet.
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Die
Erfindung erstreckt sich weiterhin auf einen Sensorknoten eines
Sensornetzwerks, welcher mit wenigstens einem Messfühler (Sensor)
zum Tasten von Daten, einer Kommunikationseinrichtung (Sender-Empfänger) zur Übermittlung
von Daten mittels ungerichteter Funkübertragung und einer mikroprozessorbasierten,
programmsteuerbaren Steuereinrichtung zur Steuerung des Sensorknotens
versehen ist, bei dem die Steuereinrichtung zur Durchführung eines
wie oben beschriebenen Verfahrens geeignet eingerichtet ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügten
Figuren genommen wird.
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1 veranschaulicht
in schematischer Weise ein Sensornetzwerk, dessen Sensorknoten mit
einem mobilen Steuergerät
konfiguriert werden;
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2 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm zur Konfiguration der Sensorknoten
des Sensornetzwerks von 1.
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In 1 ist
in schematischer Weise ein insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnetes
Sensornetzwerk dargestellt. Das Sensornetzwerk 1 umfasst eine
Mehrzahl Sensorknoten mit einem gleichen Aufbau, von denen in 1 lediglich
drei benachbarte Sensorknoten 2–4 dargestellt sind.
Die Sensorknoten 2–4 sind
an verschiedenen Orten beispielsweise einer industriellen Großanlage
montiert, was in 1 nicht näher dargestellt ist.
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Jeder
Sensorknoten 2–4 enthält in einem Gehäuse 18 mehrere
Messfühler
(Sensoren) 5, die in der Lage sind, Messwerte von physikalischen
bzw. technischen Messgrößen, hier
beispielsweise Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, zu tasten. Weiterhin enthält jeder
Sensorknoten 2–4 eine
programmgesteuerte, mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung (CPU) 7 zur
Steuerung der Funktionen des Sensorknotens. Die CPU 7 wirkt
mit zwei Speichereinrichtungen zusammen, einem flüchtigen
Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) 8 und einem nicht-flüchtigen
Flash-Speicher 9. Des Weiteren ist jeder Sensorknoten 2–4 mit
einem Transceiver (Sender-Empfänger) 6 zur Übermittlung
von Daten mittels ungerichteter Funkübertragung über eine erste Funkantenne 13 versehen.
Eine Übertragungsfrequenz für die Funkübertragung
beträgt
beispielsweise 60 GHz. Über
eine autonome Energieversorgung in Form einer Batterie 10 wird
jeder Sensorknoten 2–4 mit
elektrischer Energie versorgt.
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Die
Sensorknoten 2–4 des
Sensornetzwerks 1 können
untereinander und mit einer in 1 nicht dargestellten
Basisstation bzw. einem mobilen Steuergerät 14 zur Konfiguration
der Sensorknoten mittels ungerichteter Funkübertragung über die ersten Funkantennen 13 Daten
austauschen.
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Eine
Konfiguration der Sensorknoten 2–4 kann vor Ort durch
das mobile Steuergerät 14 erfolgen,
das mit den Sensorknoten 2–4 drahtlos kommunizieren
kann und zu diesem Zweck mit einem nicht näher dargestellten Transceiver
versehen ist, der eine ungerichtete Funkübertragung über eine zweite Funkantenne 15 ermöglicht.
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Um
einen Sensorknoten selektiv anzusprechen, ist das mobile Steuergerät 14 mit
einer Lichtstrahlerzeugungseinrichtung, hier in Form einer Laserdiode 16,
versehen, durch welche ein sichtbarer Laserstrahl 17 mit
einer Wellenlänge
in einem Wellenlängenbereich
von beispielsweise 640 nm bis 660 nm erzeugt werden kann.
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In
entsprechender Weise ist jeder Sensorknoten 2–4 mit
einer Lichtstrahlempfängereinrichtung,
hier in Form einer Photodiode 12, versehen, durch welche
der vom Steuergerät 14 gesendeter
Laserstrahl 17 empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt
werden kann. Die Photodiode 12 kann von einer datentechnisch
mit der CPU 7 verbundenen Kontrollschnittstelle (Control
Interface) 11 angesteuert werden.
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Wird
das mobile Steuergerät 14 so
positioniert, dass der vom Steuergerät 14 erzeugte Laserstrahl 17 auf
die Photodiode 12 eines gewünschten Sensorknotens trifft,
so kann der Sensorknoten selektiv angesprochen werden. In 1 ist
dies beispielhaft für
einen ersten Sensorknoten 2 dargestellt.
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Es
wird nun ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, wobei insbesondere Bezug auf 2 genommen
wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Konfiguration der Sensorknoten 2–4,
die anhand einer Konfiguration des ersten Sensorknoten 2 beschrieben
wird. Alle Sensorknoten 2–4 befinden sich in Funkreichweite
zum mobilen Steuergerät 14.
In dem schematischen Ablaufdiagramm von 2 betreffen die
linken Kästchen
jeweils Verfahrensschritte, die vom mobilen Steuergerät 14 ausgeführt werden,
wohingegen die rechten Kästchen
jeweils Verfahrensschritte betreffen, die vom ersten Sensorknoten 2 ausgeführt werden.
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Die
Sensorknoten des Sensornetzwerks 1 sind so programmiert,
dass sie lediglich wenige Male für
einige Sekunden pro Tag aufwachen, in diesem aktiven Zustand Daten
von Messgrößen tasten
und die Daten über
den aktiven Transceiver 6 an die Basisstation senden. Ansonsten
befinden sich die Sensorknoten in einem passiven Zustand, in dem
sie keine Daten von Messgrößen tasten
und der Transceiver 6 inaktiv ist.
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Zudem
befinden sich alle Sensorknoten 2–4 zu Beginn der Konfiguration
in einem Zustand (in der Beschreibungseinleitung als dritter Betriebszustand bezeichnet),
in dem deren Photodioden 12 inaktiviert sind, das heißt, es können keine
lichtoptischen Signale über
die Photodioden 12 empfangen und verarbeitet werden.
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Um
den ersten Sensorknoten 2 zu konfigurieren, erstellt das
mobile Steuergerät
zunächst
in einem vorbereitenden Schritt mittels ungerichteter Funkübertragung
eine Liste aller in Funkreichweite befindlichen Sensorknoten 2–4.
Anschließend
wird in einem weiteren vorbereitenden Schritt vom mobilen Steuergerät 14 mittels
ungerichteter Funkübertragung über die
zweite Funkantenne 15 ein ungerichtetes Funksignal (in
der Beschreibungseinleitung als zweites Betriebszustandssteuersignal
bezeichnet) an die Sensorknoten 2–4 gesendet, durch
welches bewirkt wird, dass die Sensorknoten 2–4 in
einen Bereitschaftszustand (in der Beschreibungseinleitung als erster
Betriebszustand bezeichnet) zum Empfangen eines lichtoptischen Signals
versetzt werden, wobei die Photodioden 12 der Sensorknoten 2–4 für einen
Empfang eines lichtoptischen Signals aktiviert werden.
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Anschließend wird
ein von der Laserdiode 16 des mobilen Steuergeräts 14 erzeugter
Laserstrahl 17 auf den ersten Sensorknoten 2,
genauer auf dessen Photodiode 12, gerichtet (Schritt A1).
Ein zielgenaues Auftreffen des Laserstrahls 17 auf die
Photodiode 12 kann optisch überprüft werden. Die Erzeugung eines
Laserstrahls 17 durch die Laserdiode 16 des Steuergeräts 12 kann über einen
Tastschalter 19 bewirkt werden.
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Der
erste Sensorknoten 2 empfängt den Laserstrahl 17 mit
seiner Photodiode 12 (Schritt A2), was zur Folge hat, dass
der Transceiver 6 für
eine ungerichtete Funkübermittlung
von Steuerdaten (hier Konfigurationsdaten) aktiviert wird. Der auf
die Photodiode 12 des erste Sensorknotens 2 gerichtete
und von der Photodiode 12 empfangene Laserstrahl 17 wirkt
somit als Signal (in der Beschreibungseinleitung als erstes Betriebszustandssteuersignal
bezeichnet), durch das der erste Sensorknoten 2 von seinem
ersten Betriebszustand, in dem der Transceiver 6 inaktiv ist,
in einen zweiten Betriebszustand, in dem der Transceiver 6 aktiviert
ist, aber die Sensoren nicht aktiviert sind, versetzt wird.
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Anschließend sendet
der erste Sensorknoten 2 mittels ungerichteter Funkübertragung über seine
erste Funkantenne 13 eine Identifikationsanfrage (Schritt
B1) als Aufforderung zur Übermittlung
eines Identifikators, die über
die zweite Funk antenne 15 des Transceivers des mobilen
Steuergeräts 14 empfangen
wird (Schritt B2).
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Daraufhin
sendet der erste Sensorknoten 2 mittels ungerichteter Funkübertragung über dessen erste
Funkantenne 13 einen im Flash-Speicher 9 gespeicherten
Identifikator (Schritt C1), welcher vom Transceiver des mobilen
Steuergeräts 14 über die zweite
Funkantenne 15 empfangen wird (Schritt C2).
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Dies
löst aus,
dass das mobile Steuergerät 14 mittels
ungerichteter Funkübertragung über dessen
zweite Funkantenne 15 eine Sensorknoten-Spezifikation sendet
(Schritt D1), in der festgelegt ist, welche Messfühler aktiv
sein sollen. Zudem wird dem ersten Sensorknoten 2 ein wählbarer
Messort zugewiesen. Die Sensorknoten-Spezifikation wird vom ersten
Sensorknoten 2 empfangen (Schritt D2), wobei die hierbei übertragenen
Daten im Flash-Speicher 9 gespeichert werden.
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Durch
den beschriebenen Ablauf kann der erste Sensorknoten 2 in
einfacher Weise selektiv vor Ort konfiguriert werden, ohne dass
die Gefahr besteht, dass ein zweiter Sensorknoten 3 oder
ein dritter Sensorknoten 4, welche sich beide in Funkreichweite
befinden versehentlich angesprochen werden.
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Eine
Konfiguration des zweiten oder dritten Sensorknotens kann in entsprechender
Weise wie die Konfiguration des ersten Sensorknotens 2 erfolgen.
Es ist hierzu lediglich erforderlich, dass der vom Steuergerät erzeugte
Laserstrahl 17 auf die Photodiode 12 des zu konfigurierenden
Sensorknotens gerichtet wird, wodurch der Transceiver 6 des
jeweiligen Sensorknotens aktiviert wird. Alle weiteren Schritte
werden in analoger Weise, wie oben für den ersten Sensorknoten 2 erläutert, durchgeführt.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
für das
erfindungsgemäße Verfahren
können
zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden.
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So
wäre es
beispielsweise möglich,
dass vom Steuergerät 14 anstelle
eines von einer Laserdiode 16 erzeugten lichtoptischen
Signals eine gerichtete elektromagnetische Strahlung hiervon verschiedener
Frequenz, beispielsweise ein mittels einer Radarantenne abgestrahltes
Radarsignal oder ein mittels einer Richtfunkantenne abgestrahltes
Richtfunksignal, erzeugt wird, das auf den zu konfigurierenden Sensorknoten
gerichtet wird, um einen Sensorknoten vom ersten Betriebszustand
in den zweiten Betriebszustand zu versetzen. So könnte beispielsweise
ein Richtfunksignal von den ersten Funkantennen 13 der Sensorknoten 2–4 oder
alternativ hierzu von separaten Funkantennen empfangen werden.
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Weiterhin
wäre es
alternativ möglich,
dass vom Steuergerät 14 mittels
eines akustischen Signalgebers ein gerichtetes Schallsignal erzeugt
wird, das auf den zu konfigurierenden Sensorknoten gerichtet wird,
um einen Sensorknoten vom ersten Betriebszustand in den zweiten
Betriebszustand zu versetzen. Die Sensorknoten wären zu diesem Zweck mit akustoelektronischen
Wandlern zum Empfangen der Schallwellen und deren Umwandlung in
elektrische Signale zu versehen.
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Weiterhin
wäre es
alternativ möglich,
dass die Sensorknoten nicht durch gerichtete elektromagnetische
Strahlung, sondern mittels ungerichteter (diffuser) elektromagnetischer
Strahlung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand
versetzt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass sich die selektiv
konfigurierenden Sensorknoten innerhalb einer die elektromagnetische
Strahlung räumlich
abgrenzenden Umgebung befinden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wäre für eine separate
Konfiguration der Sensorknoten bei einer lichtoptischen Signalgebung
erforderlich, dass sich die Sensorknoten jeweils einzeln in einer
optisch dichten Umgebung befinden. In diesem Fall könnten die
Sensorknoten jeweils selektiv beispielsweise durch eine diffuse
Deckenbeleuchtung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand
versetzt werden. Das diffuse Licht könnte über die Photodioden 12 empfangen und
verarbeitet werden. Gleichermaßen
wäre es möglich, dass
eine Mehrzahl Sensorknoten durch diffuses Licht in den zweiten Betriebszustand
versetzt wird.
-
In
diesem Fall könnten
die Sensorknoten 2–4 weiterhin
mit Mitteln zum Bestimmen einer spektralen Eigenschaft der diffusen
Deckenbeleuchtung versehen sein, wobei ein Sensorknoten nur dann
in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, wenn die spektrale
Eigenschaft der Deckenbeleuchtung mit einer voreinstellbaren spektralen
Eigenschaft übereinstimmt.
Alternativ hierzu könnte
das Licht mit einer Signalkennung moduliert werden, wobei die Sensorknoten
nur dann vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand
versetzt werden, falls die Signalkennung mit einer voreingestellten
Signalkennung übereinstimmt.
Weiterhin könnten
die Sensorknoten 2–4 jeweils
mit einer Photodiode ausgerüstet sein,
durch welche elektrische Energie aus dem auftreffenden Licht gewonnen
werden kann.